聚丙烯粉尘燃爆敏感特性研究

Research on Combustion and Explosion Sensitivity Characteristics of Polypropylene Dust

摘要

聚丙烯生产加工过程中产生的细微粉尘易引发燃烧爆炸事故。针对电火花和高温物体表面两种典型火源，采用粉尘云最小点火能试验装置、静电火花感度仪、粉尘云（层）最低着火温度实验装置分别对悬浮态和堆积态聚丙烯粉尘开展燃爆敏感性研究。结果表明：10～13、18～23、25～38μm聚丙烯粉尘云的最小点火能远低于48～75μm粉尘云，聚丙烯粉尘云的最小点火能随粉尘质量浓度、喷粉压力、点火延迟时间的增大整体呈现先降低后上升的变化趋势；堆积状态下，随着粒径的增加，聚丙烯粉尘最小点火能逐渐增大，即静电火花敏感度下降；单因素变量下，随着粒径的增大，聚丙烯粉尘云的最低着火温度因粉尘团聚现象而存在拐点。

关键词

聚丙烯粉尘 / 粉尘爆炸 / 最小点火能 / 最低着火温度 / 静电火花感度

Key words

Polypropylene dust / Dust explosion / Minimum ignition energy / Minimum ignition temperature / Electrostatic spark sensitivity

粉尘爆炸是生活中常见的工业事故，爆炸事故危险程度高^[1]。从原材料上划分，煤粉尘和金属粉尘是早期粉尘爆炸事故的主要载体^[2]。随着新兴材料的工业化发展，轻工业粉尘爆炸的危险性逐步引起研究人员重视^[3-5]。塑料工业是近几年快速发展的轻工产业支柱产业之一^[6]。聚丙烯材料是丙烯分子在特定条件下聚合得到的高分子聚合物^[7]。聚丙烯材料在生产和加工过程中产生的聚丙烯粉尘在遇到点火源时可能发生粉尘爆炸或燃烧，造成人员伤害和财产损失。因此，对聚丙烯粉尘的燃爆敏感特性进行研究对其生产加工中的安全保障具有重要意义。蒯念生等^[8]研究发现，点火能对粉尘爆炸影响显著，点火能过低不会发生爆炸。谭汝媚等^[9]研究了点火延迟时间对淀粉和小麦粉燃爆特性的影响。结果表明，土豆淀粉与红薯淀粉的最佳点火延迟时间明显高于小麦粉。MENČÍK等^[10]认为，最低着火温度是粉尘燃爆敏感特性的重要参数，同时也是抑制爆炸的设计参数。刘学武等^[11]使用粉尘云最低着火温度装置对聚丁二烯橡胶与单体苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物(ABS)粉尘云的最低着火温度参数进行研究，测得ABS粉尘云最低着火温度在415~425 ℃之间。黄兆谦^[12]发现影响可燃性粉尘最小点火能的主要因素涵盖最小点火能装置影响因素、粉尘自身影响因素和环境条件因素等8个主要因素。CASHDOLLAR等^[13]研究发现，粉尘的燃爆特性不仅取决于材料的固有特性，还取决于粉尘的粒径。STAHME等^[14-15]研究聚乙烯粉尘燃爆特性时发现，粉尘的比表面积是重要的影响参数。庞磊等^[16]研究发现，高密度聚乙烯(HDPE)粉尘云最低着火温度随粉尘云浓度的增加呈现先降低后升高的总体趋势，且最低着火温度曲线均出现拐点现象。MITTAL等^[17-18]对和聚丙烯粉尘相似的有机粉尘的粉尘云最低着火温度分别随粉尘浓度和粒度变化的分布特性进行研究。结果表明，粉尘云最低着火温度随浓度的升高先降低又升高。DOBASHI^[19]和SUN等^[20-21]研究指出，有机粉尘粉尘云最小点火能随着粉尘颗粒尺寸的减小而减小。

本文针对聚丙烯粉尘在悬浮与堆积两种存在状态下的最小点火能和最低着火温度进行研究，采用最小点火能试验装置与静电火花感度仪研究不同影响因素对聚丙烯粉尘最小点火能的影响，应用粉尘云(层)最低着火温度实验装置对聚丙烯粉尘进行最低着火温度研究，为预防聚丙烯粉尘燃爆事故提供依据。

1 实验部分

1.1 实验样品

聚丙烯粉尘，分析纯，中国石化茂名石化公司。

1.2 仪器与设备

电热鼓风干燥箱，101-00S，上海力辰邦西仪器科技有限公司；电子天平，YH-100002，永康宇昊贸易有限公司；粉尘云最小点火能试验装置，HY16428E，吉林宏源科学仪器有限公司；静电火花感度仪，JGY-50C，湖北天力敏科技有限公司；粉尘云(层)最低着火温度实验装置，HY16429，吉林宏源科学仪器有限公司。

1.3 实验方案

1.3.1 聚丙烯粉尘最小点火能研究

应用粉尘云最小点火能试验装置与静电火花感度仪对悬浮状态与堆积状态的聚丙烯粉尘进行最小点火能研究。实验固定电极间距、延迟启动时间，分别研究粒径、粉尘质量浓度、喷粉压力、点火延迟时间等因素对悬浮状态聚丙烯粉尘最小点火能的影响以及粒径对堆积状态聚丙烯粉尘最小点火能的影响。

1.3.2 聚丙烯粉尘最低着火温度研究

应用粉尘云(层)最低着火温度实验装置对聚丙烯粉尘进行最低着火温度研究，分析粒径、粉尘质量浓度、喷粉压力对悬浮状态聚丙烯粉尘最低着火温度的影响以及堆积厚度和粒径对堆积状态聚丙烯粉尘最低着火温度的影响。

2 结果与讨论

2.1 悬浮状态聚丙烯粉尘最小点火能研究

2.1.1 粒径对悬浮状态聚丙烯粉尘最小点火能的影响

在喷粉压力为100 kPa条件下研究48~75、25~38、18~23、10~13 μm 4种粒径的聚丙烯粉尘在不同浓度下的最小点火能，图1为实验结果。从图1可以看出，在不同浓度下的聚丙烯粉尘最小点火能随着聚丙烯粉尘粒径的增大而增大。这是因为粒径越小，与氧气接触面积增大，反应速率更快，引燃粉尘的能量越低，反之粒径较大时，反应速率下降，燃爆需要点火能增大^[22]。但由于小粒径聚丙烯粉尘会因静电、自身黏度等影响容易发生粉尘团聚现象，造成比表面积减小，因此最小点火能不会随着聚丙烯粉尘粒径的继续减小而不断下降^[23]。

2.1.2 粉尘质量浓度对悬浮状态聚丙烯粉尘最小点火能的影响

在25~38、18~23 μm两种粒径条件下研究不同粉尘质量浓度对最小点火能的影响。图2为粉尘质量浓度与最小点火能的关系。从图2可以看出，聚丙烯粉尘的最小点火能随着粉尘质量浓度的增大先减小又增大。这是由于粉尘质量浓度较小时，哈特曼管中的悬浮的粉尘数量少、质量低、载荷小，燃烧分解产生的能量小。同时，聚丙烯颗粒之间间距大，分解产生的热量在传递给周围的粉尘分子过程中存在一部分能量的损失，导致在粉尘质量浓度较小时需要更多的能量才能使粉尘点燃。粉尘质量浓度增大时，哈特曼管中的粉尘数量增加，反应放热增加，粉尘颗粒间距减少，减小了热传递造成的能量损耗，因此粉尘燃烧需要的能量逐渐减少。粉尘质量浓度增大到一定程度后，受限空间燃烧的缺氧现象^[24]、聚丙烯粉尘的团聚现象、聚丙烯粉尘的沉积现象使需要的点火能增大，最小点火能呈现上升趋势。

2.1.3 喷粉压力对悬浮状态聚丙烯粉尘最小点火能的影响

喷粉压力是影响粉尘云湍流程度的重要因素。选取粒径为25~38、18~23 μm的聚丙烯粉尘，研究喷粉压力对最小点火能的影响。图3为喷粉压力与最小点火能的关系。从图3可以看出，喷粉压力为50 kPa时，产生的初始湍流过小，聚丙烯粉尘无法全部喷至电极处，电极周围粉尘浓度较低，聚丙烯粉尘难以形成均匀的粉尘云^[25]，此时引燃粉尘云所需的能量相对较大。当喷粉压力逐渐增大时，聚丙烯粉尘颗粒运动速度加快，电极周围的粉尘浓度增大。最佳喷粉压力为100 kPa，粉尘颗粒在哈特曼管中分布均匀，粉尘颗粒间距缩短，有利于热量的传递，此时引燃粉尘云的能量最低。当喷粉压力超过100 kPa时，25~38、18~23 μm聚丙烯粉尘云最小点火能均呈现上升趋势。这是因为过大的喷粉压力会将聚丙烯粉尘喷出哈特曼管外，电极处于聚丙烯粉尘湍流根部，导致能够参与点燃过程的聚丙烯粉尘颗粒少、间距大，且热传递过程造成能量损耗大，从而使最小点火能增大。

2.1.4 点火延迟时间对悬浮状态聚丙烯粉尘最小点火能的影响

点火延迟时间是从粉尘喷射到开始点火之间的间隔时间，会影响点火瞬间粉尘的湍流程度与分散程度。为了研究点火延迟时间对聚丙烯粉尘燃爆敏感特性的影响，选取粒径为25~38、18~23 μm的聚丙烯粉尘，测定点火延迟时间为40、50、60、70、80 ms时的最小点火能。图4为测试结果。从图4可以看出，随着点火延迟时间的增大，不同粒径的聚丙烯粉尘最小点火能先降低后升高，但最佳点火延迟时间存在差异，粒径为25~38、18~23 μm的聚丙烯粉尘最佳着火延迟时间分别为70、60 ms。着火延迟时间过短时，电极周围聚丙烯粉尘浓度较低，参与反应的聚丙烯粉尘颗粒数量较少无法形成均匀稳定的聚丙烯粉尘云^[26]，最小点火能相对较大；当着火延迟时间增加时，分散在电极周围的聚丙烯粉尘增多，聚丙烯粉尘分散程度逐渐达到最佳，此时最小点火能渐渐降低至最小值^[27]；随着点火延迟时间的继续增加，聚丙烯粉尘受自身重力的影响发生沉降和团聚现象，粉尘云分散状态较差，所需的点火能较大，反应发生比较困难，因此需要进一步增大点火能。

2.2 堆积状态聚丙烯粉尘最小点火能研究

为探讨堆积状态聚丙烯粉尘的最小点火能，利用静电火花感度仪进行实验，测试不同粒径聚丙烯粉尘的最小着火电压，计算对应的最小点火能。

实验中的粉尘质量、电极间距设置为定值，选取粒径为25~38、18~23、10~13 μm的聚丙烯粉尘进行研究。表1为测试结果。从表1可以看出，当聚丙烯粉尘粒径由25~38 μm减小至10~13 μm时，堆积状态下的聚丙烯粉尘最小点火能也随之降低，静电感度增加，主要是因为比表面积与粉尘粒径呈负相关，聚丙烯粉尘粒径越小，其与氧气接触的面积越大，化学反应活性更高。此外，聚丙烯粉尘粒径越小越易发生分解，因而更容易引起燃爆反应。

2.3 悬浮状态聚丙烯粉尘最低着火温度研究

应用粉尘云(层)最低着火温度实验装置对聚丙烯粉尘云进行最低着火温度研究，选取粒径为10~13、18~23、48~75 μm的聚丙烯粉尘进行实验。实验过程设置恒温时间为2 s，对悬浮状态聚丙烯粉尘的最低着火温度与粉尘粒径、粉尘云质量浓度和喷粉压力的关系进行研究。

2.3.1 粉尘粒径及粉尘云质量浓度对聚丙烯粉尘最低着火温度的影响

图5为不同质量浓度下聚丙烯粉尘云粉尘粒径与最低着火温度的关系。从图5可以看出，图中拐点均出现在18~23 μm处。当粉尘云质量浓度低于1 111 g/m³时，最低着火温度随粒径的增大呈现先增大后减小的趋势；粉尘云质量浓度为1 333 g/m³时，最低着火温度随着粒径增大先减小后增大。这可能是由于小粒径粉尘颗粒之间有较大的静电引力和分子间力，易发生凝聚现象，聚丙烯粉尘的浓度过大时，粒径为10~13 μm的聚丙烯粉尘更容易发生团聚现象，比表面积减小，因此最低着火温度随粒径的减小反而上升。

表2为不同粒径和粉尘云质量浓度下聚丙烯粉尘的最低着火温度。从表2可以看出，当聚丙烯粉尘质量浓度小于667 g/m³时，粉尘云最低着火温度随着聚丙烯粉尘云质量浓度增加逐渐减小，这是由于加热炉内部的聚丙烯粉尘颗粒数目增多，粉尘发生燃烧时释放的热量更多^[28]。同时，粉尘颗粒之间间距缩短，有利于聚丙烯粉尘之间热量的传递，热传递效率提升，降低了聚丙烯粉尘燃烧所需要的能量。当聚丙烯粉尘云质量浓度超过667 g/m³时，随着质量浓度的增加，单位体积内粉尘颗粒数趋于饱和^[29]，周围氧气含量不足，聚丙烯粉尘无法完全反应。并且随着浓度的增加，粉尘比表面积因团聚现象而减小，粉尘反应释放的热量无法促进过多的聚丙烯粉尘颗粒燃烧，所以聚丙烯粉尘云最低着火温度有所提高。

粒径为18~23 μm的聚丙烯在粉尘云质量浓度为1 111、1 333 g/m³时，最低着火温度均为420 ℃。这是因为当粉尘云质量浓度为1 111 g/m³时，颗粒间热辐射的影响达到饱和，所以再增大浓度，最低着火温度变化不大。

2.3.2 喷粉压力对聚丙烯粉尘最低着火温度的影响

喷粉压力会影响粉尘云的分散状态。表3为不同喷粉压力下聚丙烯粉尘的最低着火温度。图6为喷粉压力与最低着火温度关系。从表3和图6可以看出，随着喷粉压力的逐步增大，粒径为48~75、18~23、10~13 μm的聚丙烯粉尘的最低着火温度变化趋势相同，均表现为先减小后增大。喷粉压力过低时无法将储尘室中的聚丙烯粉尘完全喷至加热炉中^[30]，装置内部参与反应的粉尘较少，因此该条件下聚丙烯粉尘最低着火温度相对较高。当喷粉压力增大时，聚丙烯粉尘能够较为均匀地分布在加热炉内，加热炉内参与反应的聚丙烯粉尘增多，粉尘颗粒之间间距减小，有利于热量的传递，因此聚丙烯粉尘云最低着火温度有所降低。当喷粉压力超过最佳喷粉压力时，点火时部分粉尘颗粒降至观察室内，参与反应的聚丙烯粉尘颗粒数减少，聚丙烯粉尘无法在加热炉内形成均匀的粉尘云，从而导致最低着火温度上升。

2.4 堆积状态聚丙烯粉尘最低着火温度研究

实验中应用粉尘云(层)最低着火温度实验装置以堆积状态下不同粒径的聚丙烯粉尘为研究对象，选取5 mm和12.5 mm金属环测试粉尘层最低着火温度，观察粉尘层着火燃烧情况，分析堆积厚度和粉尘粒径对聚丙烯粉尘层最低着火温度的影响。由于仪器温度的限制，实验过程中各粒径聚丙烯粉尘在5、12.5 mm堆积厚度下，在400 ℃时仍未见燃烧。

3 结论

为研究聚丙烯粉尘燃爆敏感特性，针对堆积状态和悬浮状态聚丙烯粉尘的最小点火能和最低着火温度的影响因素开展研究，得出结论如下：(1)悬浮状态以及堆积状态聚丙烯粉尘最小点火能均与粉尘粒径呈正相关。这是由于聚丙烯粉尘粒径越小，其比表面积越大，热解速率和反应速率更快，所需要的反应能量更低，最小点火能更小，但由于聚丙烯粉尘粒径过小时会出现团聚现象，所以最小点火能不会随粉尘粒径减小而一直降低。(2)随着质量浓度、喷粉压力、点火延迟时间的增大，悬浮状态聚丙烯粉尘的最小点火能存在最小值，整体呈现先减小后又上升的变化趋势。这个过程中，由于喷粉压力和点火延迟时间的变化影响到哈德曼管中电极附近参与反应的聚丙烯粉尘的实际浓度，因此最小点火能在喷粉压力和点火延迟时间影响下的变化趋势均与粉尘质量浓度变化的影响相似。(3)悬浮状态聚丙烯粉尘最低着火温度随着聚丙烯粉尘云质量浓度的增加先减小又增大，粉尘云质量浓度为667 g/m³是拐点浓度，也是聚丙烯粉尘云最低着火温度的敏感浓度。

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